RU190168U1

RU190168U1 - Vortex Cavitator

Info

Publication number: RU190168U1
Application number: RU2018139907U
Authority: RU
Inventors: Евгений Геннадьевич Иванов; Владимир Сергеевич Угаров; Никита Владимирович Кокорин; Алексей Евгеньевич Иванов
Priority date: 2018-11-12
Filing date: 2018-11-12
Publication date: 2019-06-21

Abstract

Полезная модель относится к теплогенераторам кавитационного типа для разогрева жидкостей в гидросистемах различного назначения, а также может быть использована в качестве смесителей различных жидкостей, диспергирования, разрушения молекулярных связей в сложных жидкостях, изменения физико-механических свойств жидкостей, для воздействия на биологические объекты.Целью предлагаемого технического решения является существенное упрощение конструкции и удешевлении вихревого кавитатора при сохранении показателей качества его рабочего процесса.Для достижения поставленной цели в вихревом кавитаторе, содержащем ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона, первая торцевая стенка которого имеет центральное выходное отверстие, вторая торцевая стенка глухая, а обечайка снабжена тангенциальным входным патрубком, лопастной насос с рабочим колесом, всасывающим и нагнетательным патрубками, соединительный трубопровод, а так же подводящий и отводящий патрубки, циклон центральным выходным отверстием соосно соединен непосредственно со всасывающим патрубком лопастного насоса, а входной тангенциальный патрубок циклона и нагнетательный патрубок насоса имеют встречную ориентацию и связаны соединительным трубопроводом, соединительный трубопровод перед входным тангенциальным патрубком циклона снабжен спрямителем потока, например, в виде звездообразно соединенных вдоль оси трубопровода пластин, подводящий патрубок тангенциально подсоединен ко всасывающему патрубку лопастного насоса попутно вращению рабочего колеса, отводящий патрубок подсоединен ко второй глухой торцовой стенке циклона соосно центральному выходному отверстию первой торцовой стенки.Использование предлагаемого вихревого кавитатора выгодно отличает его от аналогов. Во-первых, его малая стоимость значительно расширяет границы его использования и потребителей, что вызовет за счет его доступности для пользователей ускорение внедрения акустико-кавитационных технологий на широком диапазоне народо-хозяйственных задач. Во-вторых, простота его конструкции и изготовления предполагает возможность самостоятельного производства потенциальными пользователями этого устройства, а значит его совершенствования и развития. 4 з.п. ф-лы. 10 ил.The utility model relates to cavitation-type heat generators for heating liquids in hydraulic systems for various purposes, and can also be used as mixers for various liquids, dispersing, breaking molecular bonds in complex fluids, changing the physicomechanical properties of liquids, and for influencing biological objects. technical solution is a significant simplification of the design and cheapening of the vortex cavitator while maintaining the quality indicators of its working process. To achieve this goal in a vortex cavitator containing a fluid accelerator made in the form of a cyclone, the first end wall of which has a central outlet, the second end wall is blind, and the shell is equipped with a tangential inlet, a vane pump with impeller suction and pressure branch pipes, connecting pipe, as well as inlet and outlet pipes, the cyclone is centrally connected to the central exhaust outlet directly with the suction pipe of the blade the tangential inlet of the cyclone and the discharge inlet of the pump are opposite in orientation and connected by connecting pipe, the connecting pipe in front of the inlet tangential nozzle of the cyclone is equipped with a flow straightener, for example, in the form of a star pump along the rotation of the impeller, the outlet pipe is connected to the second blank end wall of the cyclone coaxially the central exit orifice of the first end face stenki.Ispolzovanie proposed vortex cavitator distinguishes it from peers. Firstly, its low cost significantly expands the boundaries of its use and consumers, which, due to its availability to users, will accelerate the introduction of acoustic-cavitation technologies on a wide range of economic tasks. Secondly, the simplicity of its design and manufacturing suggests the possibility of independent production by potential users of this device, and therefore its improvement and development. 4 hp f-ly. 10 il.

Description

Полезная модель относится к теплогенераторам кавитационного типа для разогрева жидкостей в гидросистемах различного назначения, а также может быть использована в качестве смесителей различных жидкостей, диспергирования, разрушения молекулярных связей в сложных жидкостях, изменения физико-механических свойств жидкостей, для воздействия на биологические объекты.The utility model relates to cavitation-type heat generators for heating liquids in hydraulic systems for various purposes, and can also be used as mixers for various liquids, dispersing, breaking molecular bonds in complex fluids, changing the physicomechanical properties of liquids, and affecting biological objects.

Известен вихревой нагреватель - теплогенератор по патенту Российской Федерации №2045715, кл. F25B 29/00, 1995, содержащий цилиндрический корпус, ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона, торцевая сторона которого соединена с корпусом, на выходе которого размещено тормозное устройство, соединенное с выходным патрубком.Known vortex heater - heat generator according to the patent of the Russian Federation No. 2045715, cl. F25B 29/00, 1995, containing a cylindrical body, an accelerator of fluid motion, made in the form of a cyclone, the front side of which is connected to the body, the output of which contains a braking device connected to the outlet pipe.

Особенностью этой конструкции является циклон, выполненный в виде улитки, в которой при слиянии входящего потока и потока совершившего почти полный оборот за счет конкуренции между ними возникает акустический сигнал. Образовавшаяся звуковая волна распространяется в корпус и усиливается в нем за счет преобразования в стоячую волну, что обуславливает в вакууметрическую фазу разрыв сплошности жидкости и образование кавитационных каверн, а в манометрическую - схлопывание этих каверн с выделением тепловой энергии (Фиг. 1).A special feature of this design is a cyclone, made in the form of a cochlea, in which, when the incoming stream and the stream that has made almost a complete revolution merge due to the competition between them, an acoustic signal occurs. The resulting sound wave propagates into the body and is amplified in it due to conversion into a standing wave, which causes a discontinuity of the liquid in the vacuum phase and the formation of cavitation cavities, and the collapse of these cavities with the release of thermal energy into the gauge phase (Fig. 1).

Однако, у этого устройства имеется ряд недостатков - оно имеет существенные гидродинамические потери на поворот жидкости, деформацию и трение об ограждающие поверхности. Особенно эти потери велики в корпусе, поскольку движение в нем сопровождается еще и вращением жидкости, что значительно увеличивает путь трения, а при скоростях более 20 метров секунду эти потери составляет почти половину всех энергетических затрат.However, this device has a number of drawbacks - it has significant hydrodynamic losses due to rotation of the fluid, deformation and friction against the enclosing surfaces. Especially these losses are large in the case, since the movement in it is accompanied by the rotation of the fluid, which significantly increases the friction path, and at speeds of more than 20 meters per second these losses amount to almost half of all energy costs.

Вращение жидкости обуславливает потери на многократное участие ее в трении о внутренние поверхности корпуса вследствие возникновения при этом встречного осевого течения Россби (Фиг. 2).The rotation of the fluid causes losses due to its repeated participation in friction on the inner surfaces of the body due to the occurrence of the oncoming axial Rossby flow (Fig. 2).

Известна вихревая труба, содержащая камеру энергетического разделения с тангенциальным сопловым вводом, диафрагму с центральным отверстием и дроссель, на крестовине которого установлены радиально расположенные лопасти, а сама диафрагма выполнена заодно с расширяющимся к выходу раструбом, вход которого соединен с центральным отверстием (Патент РФ на изобретение №2098723, кл. 6F25B 9/02, 1997 г.).Known vortex tube containing a chamber of energy separation with a tangential nozzle input, a diaphragm with a central hole and a choke, on the cross of which radially located blades are mounted, and the diaphragm itself is made integral with the flared socket, whose entrance is connected to the central hole (RF Patent for invention No. 2098723, Cl. 6F25B 9/02, 1997).

Предлагаемая конструкция устраняет смешивание тангенциально входящего вихревого потока и идущего ему навстречу охлажденного приосевого потока, что повышает термодинамическую эффективность устройства. Причем в своей конструктивной версии (Фиг. 1, описания патента №2098723) авторы предлагают выполнить камеру энергетического разделения (корпус) в виде отдельного блока с возможностью его полного удаления или быстрой замены на другой с иными техническими характеристиками. Для этого на нем предусмотрены с разных концов резьбы и контрящие гайки.The proposed design eliminates mixing of the tangentially entering vortex flow and the cooled axial flow going towards it, which increases the thermodynamic efficiency of the device. Moreover, in their constructive version (Fig. 1, descriptions of patent No. 2098723), the authors propose to perform the energy separation chamber (case) as a separate unit with the possibility of its complete removal or quick replacement with another one with other technical characteristics. To do this, it is provided with different ends of the thread and locking nuts.

Однако, данное устройство предназначено для работы с газовыми средами и поэтому не создает акустической кавитации.However, this device is designed to work with gas environments and therefore does not create acoustic cavitation.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является и принят за прототип вихревой кавитатор (положительное решение о выдаче патента Российской Федерации по заявке на изобретение №2016150758, кл. F24V 99/00, 2018), содержащий цилиндрический корпус, выполненый вращающимся за счет установки по торцам в подшипниках, ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона, торцевая сторона которого соединена с корпусом, на выходе которого размещено тормозное устройство, соединенное с выходным патрубком, корпус также снабжен уплотнениями в местах подвижных соединений с торцовой стенкой циклона и фланцем выходного патрубка, например, в виде фланцев по концам корпуса с концентричными его оси канавками, входящими в скользящее сопряжение с концентричными выступами торцовой стенки циклона и фланца выходного патрубка.The closest technical solution to the claimed is adopted for the prototype vortex cavitator (positive decision to grant the patent of the Russian Federation on the application for the invention №6150758, cl. F24V 99/00, 2018), containing a cylindrical body, made rotating due to the installation along the ends in bearings, an accelerator of fluid motion, made in the form of a cyclone, the front side of which is connected to the housing, the output of which contains a braking device connected to the outlet nipple, the housing is also provided with seals in me One hundred movable joints with the end wall of the cyclone and the flange of the outlet pipe, for example, in the form of flanges along the ends of the housing with its axial concentric grooves, which are in sliding connection with the concentric protrusions of the end wall of the cyclone and the flange of the outlet pipe.

В данном техническом решении устранены многие вышерассмотренные недостатки: исключено трение между жидкостью и внутренней поверхностью корпуса, в нем отсутствует ранее указанное течение Россби, приводящее к многократному взаимодействию каждой частички движущейся жидкости с неподвижным корпусом и т.д.In this technical solution, many of the above disadvantages are eliminated: friction between the liquid and the inner surface of the body is eliminated, it does not contain the previously mentioned Rossby flow, leading to repeated interaction of each particle of the moving fluid with a fixed body, etc.

Однако, рассматриваемое устройство имеет сложную конструкцию, высокую стоимость, трудоемкость настройки, пониженную надежность и трудности в эксплуатации. В некоторых практических ситуациях важно иметь не столько абсолютно совершенное, и дорогое устройство, а сколько возможность его быстрого изготовления, доступность для широких слоев населения, простого в эксплуатации, долговечного и т.д. и в то же время примерно равного по возможностям тому же самому совершенному устройству.However, the device in question has a complex structure, high cost, complexity of tuning, reduced reliability and difficulties in operation. In some practical situations, it is important to have not only an absolutely perfect and expensive device, but rather the possibility of its rapid production, accessibility for wide sections of the population, easy to use, durable, etc. and at the same time approximately equal in capabilities to the same perfect device.

В последнее время создание новой техники приобрело особую актуальность. Во-первых, потому что новые средства производства стимулируют развитие известных и создание новых технологий, а новые технологии влекут за собой, в свою очередь, и появление дополнительно новых устройств, а так же их адаптацию под различные задачи и в других сферах деятельности.Recently, the creation of new technology has acquired particular relevance. First, because new means of production stimulate the development of well-known and the creation of new technologies, and new technologies entail, in turn, the emergence of additional new devices, as well as their adaptation to various tasks in other areas of activity.

Во-вторых, в условиях жесткой конкуренции развитие новых технологий, создание новых технических продуктов и средств производства дает неоспоримые преимущества той стране, которая ими обладает.Secondly, in the face of fierce competition, the development of new technologies, the creation of new technical products and means of production gives indisputable advantages to the country that has them.

Особую актуальность это обстоятельство имеет для нашей страны, поскольку со всех границ она окружена высокоиндустриальными странами, и для сохранения своих границ и территорий необходимо, как минимум, не уступать им в техническом развитии.This circumstance is of particular relevance for our country, since it is surrounded by highly industrialized countries from all borders, and in order to preserve its borders and territories, it is necessary, at a minimum, not to be inferior to them in technical development.

Следовательно, необходимы во множестве новые технические решения, которые создадут арсенал средств для осуществления разного вида технических проектов, необходимо создавать и развивать особо эффективные устройства и технологии на основе глубоких научных поисков и обоснований. Особо важным направлением является создание машин и технологий на основе новых физических принципов действия, глубокое их изучение, развитие с последующей реализацией в дальнейшие инновационные разработки.Consequently, many new technical solutions are needed, which will create an arsenal of tools for the implementation of various types of technical projects, it is necessary to create and develop particularly efficient devices and technologies based on deep scientific research and justification. A particularly important area is the creation of machines and technologies based on new physical principles of action, their in-depth study, development, followed by implementation into further innovative developments.

Акустико-кавитационные технологии являются таким направлением, поскольку благодаря достижению высоких плотностей энергий в момент коллапса кавитационных каверн можно получать и видоизменять формы энергии, управлять изменением свойств воды и других жидкостей, обрабатывать твердые и газообразные компоненты в жидких средах.Acoustic-cavitation technologies are such a direction, because due to the achievement of high energy densities at the moment of cavitation cavities collapse, it is possible to obtain and modify energy forms, control changes in the properties of water and other liquids, process solid and gaseous components in liquid media.

В то же время эти устройства должны быть надежны, просты по конструкции и доступны для широкого круга пользователей.At the same time, these devices must be reliable, simple in design and accessible to a wide range of users.

Целью предлагаемого технического решения является существенное упрощение конструкции и удешевлении вихревого кавитатора при сохранении показателей качества его рабочего процесса.The purpose of the proposed technical solution is to significantly simplify the design and reduce the cost of the vortex cavitator while maintaining the quality indicators of its workflow.

Для достижения поставленной цели в вихревом кавитаторе, содержащем ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона, первая торцевая сторона которого имеет центральное выходное отверстие, вторая торцевая сторона глухая, а обечайка снабжена тангенциальным входным патрубком, лопастной насос с рабочим колесом, всасывающим и нагнетательным патрубками, соединительный трубопровод, а так же подводящий и отводящий патрубки циклон центральным выходным отверстием соосно соединен непосредственно со всасывающим патрубком лопастного насоса, а входной тангенциальный патрубок циклона и нагнетательный патрубок лопастного насоса имеют встречную ориентацию и связаны соединительным трубопроводом.To achieve this goal in a vortex cavitator containing a fluid accelerator, made in the form of a cyclone, the first end side of which has a central outlet, the second end side is deaf, and the shell is equipped with a tangential inlet nozzle, a propeller pump with impeller, suction and discharge nozzles, the connecting pipeline, as well as the inlet and outlet nozzles of the cyclone are centrally connected to the central outlet of the vane Sos, a tangential inlet nozzle of the cyclone and the discharge nozzle vane pump are counter orientation and associated connecting piping.

При этом:Wherein:

- соединительный трубопровод перед входным тангенциальным патрубком циклона снабжен спрямителем потока, например, в виде звездообразно соединенных вдоль оси трубопровода пластин;- the connecting piping in front of the tangential inlet nozzle of the cyclone is equipped with a flow straightener, for example, in the form of plates connected in a star-like manner along the pipeline axis;

- подводящий патрубок тангенциально подсоединен ко всасывающему патрубку лопастного насоса попутно вращению рабочего колеса;- the supply pipe is tangentially connected to the suction pipe of the vane pump along the way the rotation of the impeller;

- отводящий патрубок подсоединен к глухой торцовой стенке циклона соосно центральному выходному отверстию первой торцовой стенки.- the discharge branch pipe is connected to the blind end wall of the cyclone coaxially with the central outlet of the first end wall.

Соединение циклона соосно центральным выходным отверстием непосредственно со всасывающим патрубком лопастного насоса обуславливает исключение из исходной структуры кавитатора его корпуса и возвратного трубопровода (Фиг. 3), что устраняет, во-первых, гидравлические потери в возвратном трубопроводе, обеспечивает снижение в нем вихревой составляющей потока, во-вторых, существенно упрощает конструкцию вихревого кавитатора, в несколько раз снижает трудоемкость его изготовления, а значит и стоимость, повышает надежность работы изделия, его ресурс. В-третьих, в случае если корпус прототипа перестанет вращаться или будет подтормаживать, то в нем возникнут существенные гидравлические потери, связанные с трением вращающейся жидкости о внутренние стенки корпуса, с появлением сложной структуры течений в нем (в том числе течений Россби), многократно увеличивающих непроизводительные затраты энергии.The connection of the cyclone coaxially with the central outlet orifice directly with the suction nozzle of the vane pump excludes from the initial structure of the cavitator its body and return pipe (Fig. 3), which eliminates, firstly, the hydraulic losses in the return pipe, reduces the vortex component of the flow in it, secondly, it significantly simplifies the design of the vortex cavitator, several times reduces the labor intensity of its manufacture, and hence the cost, increases the reliability of the product, e resource. Thirdly, if the prototype case stops rotating or brakes, there will be significant hydraulic losses due to the friction of the rotating fluid on the internal walls of the case, with the appearance of a complex structure of currents in it (including Rossby currents), repeatedly increasing overhead energy.

Связь входного тангенциального патрубка циклона и нагнетательного патрубка лопастного насоса соединительным трубопроводом при их встречной ориентации (Фиг. 4) дает возможность произвести взамен утраченных за счет исключения корпуса новые преимущества перед прототипом. В этом случае в циклоне создается вращение потока жидкости попутно направлению вращения рабочего колеса лопастного насоса и при входе такого потока из циклона непосредственно сразу в лопастной насос он уже имеет предварительную подкрутку вдогонку за лопастями рабочего колеса центробежного насоса. Разница окружных скоростей между входящей в насос жидкостью и лопастями рабочего колеса для такого предварительно подкрученного потока уменьшается, следовательно, нагрузка на лопасть уменьшится, уменьшится момент на валу и потребляемая мощность, повысится его экономичность (Фиг. 5, Фиг. 6). С другой стороны, и энергия, передаваемая жидкости насосом, уменьшается, однако сумма удельных энергий - пришедшей с предварительно подкрученной жидкостью и переданной рабочим колесо лопастного насоса достигнет требуемого, то есть паспортного значения. Окружная скорость колеса при этом сохранится, а окружная скорость жидкости на выходных кромках лопастей меньше скорости рабочего колеса быть в этом случае не может, следовательно, и напор на выходе из насоса не станет меньше номинального (Фиг. 7, Фиг. 8).The connection of the input tangential nozzle of the cyclone and the injection nozzle of the vane pump with the connecting pipe, with their opposite orientation (Fig. 4), makes it possible to replace the lost due to the elimination of the housing over the prototype. In this case, the cyclone creates a rotation of the fluid flow along the direction of rotation of the impeller of the vane pump and upon entering such a flow from the cyclone directly directly into the vane pump, it already has a preliminary twist after the impeller blades of the centrifugal pump. The difference in peripheral speeds between the fluid entering the pump and the impeller blades for such a pre-twisted flow decreases, therefore, the load on the blade will decrease, the torque on the shaft and power consumption will increase, its efficiency will increase (Fig. 5, Fig. 6). On the other hand, the energy transferred by the pump to the fluid decreases, however, the sum of specific energies — that came from the pre-wound fluid and transferred to the impeller of the vane pump — will reach the required, that is, passport value. The circumferential speed of the wheel will remain, and the circumferential speed of the fluid at the output edges of the blades will not be lower than the speed of the impeller in this case, therefore, the pressure at the outlet of the pump will not be less than the nominal (Fig. 7, Fig. 8).

Результат от реализации рассматриваемых признаков обеспечивается тем, что в лопастной насос возвращается энергия от потока каждый раз оставшаяся от предыдущего цикла (при движении жидкости по траектории лопастной насос - циклон - лопастной насос - и т.д.) и самому насосу требуется лишь добавить часть ее, недостающую до номинального показателя. При этом, чем меньше ее потери в контуре, тем на меньшую величину требуется ее восполнить, однако при сохранении необходимого значения на выполнение полезной функции. В заявляемом же устройстве потери минимальны, а необходимая величина энергии на выполнение полезной функции в большинстве гидродинамических кавитаторах составляет лишь 6-10% от входной ее величины.The result from the implementation of the considered signs is ensured by the fact that the flow from the previous cycle each time returns to the blade pump (as the fluid moves along the blade pump path - cyclone - blade pump - etc.) and the pump itself needs only to add some of it missing to the nominal rate. In this case, the smaller its losses in the circuit, the smaller it is required to replenish it, however, while maintaining the necessary value to perform a useful function. In the claimed device, the losses are minimal, and the required amount of energy to perform a useful function in most hydrodynamic cavitators is only 6-10% of its input value.

После выхода из лопастного насоса поток жидкости спрямляется и по соединительному трубопроводу вновь попадает в тангенциальный входной патрубок циклона для повторной закрутки и участия в следующих циклах.After exiting the vane pump, the fluid flow is straightened and through the connecting pipeline again enters the tangential inlet of the cyclone to re-twist and participate in the following cycles.

Особенностью получившейся конструкции является то, что соединительный трубопровод в данном случае должен иметь изгиб на угол не меньше чем на 180°, что могут обеспечить либо два прямоугольных отвода, либо изгиб соединительного трубопровода на этот угол. Изгиб же (в обоих случаях) предполагает возникновение двух сопряженных вихрей с продольными осями за счет утыкания ядра потока о внутреннюю поверхность внешней стенки изогнутой трубы, отражения от нее с распадением на две части, каждая из которых по своей внутренней боковой поверхности трубы уходит на меньшие радиусы изгиба с последующим их смыканием и многократным повторением всех фаз рассмотренного цикла (Фиг. 10).A feature of the resulting design is that the connecting pipe in this case should have a bend at an angle of not less than 180 °, which can provide either two rectangular bends, or a bend of the connecting pipe at this angle. The bend (in both cases) implies the emergence of two conjugate vortices with longitudinal axes due to the thread core being stuck onto the inner surface of the outer wall of the bent pipe, reflecting from it with disintegration into two parts, each of which along its inner side surface of the pipe goes to smaller radii bending followed by their closure and repeated repetition of all phases of the considered cycle (Fig. 10).

При входе потока с такой структурой через входной тангенциальный патрубок в циклон она оказывает воздействие на механизм звукообразования, нарушает синфазность взаимодействующих потоков в циклоне, следовательно, снижает амплитуду волн, создает шумы, а это снижает интенсивность процесса акустической кавитации. Для устранения этих негативных явлений в заявляемом устройстве предусмотрено снабжение соединительного трубопровода перед входом в тангенциальный патрубк циклона спрямителем потока, например, в виде звездообразно соединенных вдоль оси трубопровода пластин.When a stream with such a structure enters the cyclone through a tangential inlet, it influences the sound formation mechanism, disrupts the synphasic nature of the interacting flows in the cyclone, therefore, reduces the amplitude of the waves, creates noise, and this reduces the intensity of the acoustic cavitation process. To eliminate these negative phenomena in the inventive device provides for the supply of the connecting pipe before entering the tangential nozzle of the cyclone with a flow straightener, for example, in the form of star-shaped plates connected along the pipeline axis.

В этом случае поток, содержащий два сопряженных продольных вихря, обтекает продольные пластины и в каждом образовавшемся фрагменте русла становится продольно ориентированным и на выходе превращается в близкое к потенциальному течение.In this case, the stream containing two conjugate longitudinal vortices flows around the longitudinal plates and in each resulting fragment of the channel becomes longitudinally oriented and turns into a current close to the potential flow.

Подсоединение подводящего патрубка тангенциально ко всасывающему патрубку лопастного насоса попутно вращению рабочего колеса (Фиг. 3, Фиг. 4) обеспечивает устранение встречного взаимодействия входного транзитного потока и вихревой составляющей циркуляционного потока на входе в лопастной насос. Следовательно, в этом случае исключаются гидравлические сопротивления на входе в вихревой кавитатор транзитному потоку и не создается снижение предварительной подкрутки циркуляционному потоку, что обеспечивает в еще большей степени проявление реализуемых в данном техническом решении принципов.Connecting the feed inlet tangentially to the suction inlet of the vane pump in parallel with the rotation of the impeller (Fig. 3, Fig. 4) ensures the elimination of the reciprocal interaction of the inlet flow and the vortex component of the circulating flow at the inlet to the vane pump. Consequently, in this case, hydraulic resistances are excluded at the entrance to the vortex cavitator to the transit flow and a decrease in the preliminary twisting of the circulation flow is not created, which provides an even greater degree of manifestation of the principles implemented in this technical solution.

При наибольших значениях транзитного расхода им обеспечивается в еще большей степени предварительная подкрутка, которая увеличивает попутную рабочему колесу лопастного насоса окружную скорость вихревой составляющей.At the greatest values of transit flow, they are provided with an even greater degree of preliminary twisting, which increases the associated impeller of the vane pump with the peripheral speed of the vortex component.

Подсоединение отводящего патрубка к глухой торцовой стенке циклона соосно центральному выходному отверстию первой торцовой стенки (Фиг. 3) не уменьшает интенсивность вихря в циклоне и, во-вторых, возможно его дополнительно усиливает аналогично в воронках стоков, вызывающих окружное вращение жидкости относительно оси стока (при наибольших значениях транзитного расхода).Connecting the outlet nozzle to the blind end wall of the cyclone coaxially with the central outlet of the first end wall (Fig. 3) does not reduce the intensity of the vortex in the cyclone and, secondly, it may additionally strengthen it similarly in sink funnels causing circumferential rotation of the fluid relative to the drain axis highest transit flow rates).

Совокупность всех предлагаемых признаков в заявляемом техническом решении является необходимой и достаточной для существенного удешевления устройства, причем с сохранением всех показателей качества его функционирования по отношению к прототипу, таких как меньшая энергоемкость за счет согласования параметров (направлений вращения жидкости) рабочих процессов лопастного насоса и циклона, более высоких кавитационных свойств циклона за счет получения при этом повышенного давления на насосе.The combination of all the proposed features in the claimed technical solution is necessary and sufficient to significantly reduce the cost of the device, while maintaining all indicators of the quality of its operation in relation to the prototype, such as less energy consumption due to the coordination of parameters (directions of rotation of the fluid) of the working processes of the vane pump and cyclone, higher cavitation properties of the cyclone due to obtaining at the same time increased pressure at the pump.

Предлагаемое техническое решение пояснено следующими графическими иллюстрациями:The proposed technical solution is explained in the following graphic illustrations:

Фиг. 1. Механизм протекания акустической кавитации;FIG. 1. The mechanism of flow of acoustic cavitation;

Фиг. 2. Структура течений внутри вихревых кавитаторов с неподвижным корпусом;FIG. 2. The structure of currents inside the vortex cavitators with a fixed body;

Фиг. 3. Продольный разрез предлагаемого вихревого кавитатора;FIG. 3. A longitudinal section of the proposed vortex cavitator;

Фиг. 4. Поперечный разрез по циклону предлагаемого вихревого кавитатора;FIG. 4. A cross-section along the cyclone of the proposed vortex cavitator;

Фиг. 5. Зависимости изменения потребляемой мощности от величины транзитного расхода для предлагаемой конструкции вихревого кавитатора и для его аналога с неподвижным корпусом;FIG. 5. Dependences of the change in power consumption on the magnitude of the transit flow for the proposed design of the vortex cavitator and for its analogue with a fixed case;

Фиг. 6. Зависимости изменения потребляемой мощности на разных частотах вращения рабочего колеса лопастного насоса (при 0,2272 л/с) для предлагаемой конструкции вихревого кавитатора и для его аналога с неподвижным корпусом;FIG. 6. Dependences of the change in power consumption at different frequencies of rotation of the impeller of a vane pump (at 0.2272 l / s) for the proposed design of the vortex cavitator and for its analogue with a fixed case;

Фиг. 7. Зависимости изменения разности давлений на выходе входе в лопастной насос от величины транзитного расхода для предлагаемой конструкции вихревого кавитатора и для его аналога с неподвижным корпусом;FIG. 7. Dependences of the change in pressure difference at the outlet to the inlet of the vane pump on the magnitude of the transit flow rate for the proposed design of the vortex cavitator and for its analogue with a fixed body;

Фиг. 8. Зависимости изменения разности давлений на выходе входе в лопастной насос на разных частотах вращения рабочего колеса лопастного насоса (при q_тр=0,2272 л/с) для предлагаемой конструкции вихревого кавитатора и для его аналога с неподвижным корпусом;FIG. 8. Dependences of the change in pressure difference at the outlet of the inlet pump at different frequencies of rotation of the impeller of the vane pump (for q _mp = 0.2272 l / s) for the proposed design of the vortex cavitator and for its analogue with a fixed case;

Фиг. 9. Зависимости изменения тепловой мощности на разных частотах вращения рабочего колеса лопастного насоса (при q_тр=0,2272 л/с) для предлагаемой конструкции вихревого кавитатора и для его аналога с неподвижным корпусом;FIG. 9. The dependence of the thermal power at different frequencies impeller vane pump rotation (when q _tr = 0.2272 l / s) for the proposed design for the vortex cavitator analogue thereof with a stationary housing;

Фиг. 10. Структура потоков в поворотах трубопроводов.FIG. 10. Structure of flows in the turns of pipelines.

Вихревой кавитатор устроен следующим образом, он содержит (Фиг. 3, Фиг. 4) ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона 1, первая торцевая стенка 2 которого имеет центральное выходное отверстие 3, вторая торцевая стенка глухая 4, а обечайка 5 снабжена тангенциальным входным патрубком 6, лопастной насос 7 с рабочим колесом 8 и лопастями 9, всасывающим 10 и нагнетательным 11 патрубками, соединительный трубопровод 12, а так же подводящий 13 и отводящий патрубки 14. При этом циклон 1 центральным выходным отверстием 3 соосно соединен непосредственно со всасывающим патрубком 10 лопастного насоса 7, а входной тангенциальный патрубок 6 циклона 1 и нагнетательный патрубок 11 насоса 7 имеют встречную ориентацию и связаны соединительным трубопроводом 12. Кроме того, рабочее колесо 8 установлено в лопастном насосе 7 на приводном валу 15, а соединительный трубопровод 12 перед входным тангенциальным патрубком 6 циклона 1 снабжен спрямителем потока 16, например, в виде звездообразно соединенных вдоль оси трубопровода пластин, подводящий патрубок 13 тангенциально подсоединен ко всасывающему патрубку 10 лопастного насоса 7 попутно вращению рабочего колеса 8, отводящий патрубок 14 подсоединен ко второй глухой торцовой стенке 4 циклона 1 соосно центральному выходному отверстию 3 первой торцовой стенки 2.The vortex cavitator is arranged as follows: it contains (Fig. 3, Fig. 4) an accelerator of fluid motion, made in the form of a cyclone 1, the first end wall 2 of which has a central outlet 3, the second end wall deaf 4, and the shell 5 is provided with a tangential inlet pipe 6, blade pump 7 with impeller 8 and blades 9, suction 10 and discharge 11 nozzles, connecting pipe 12, as well as inlet 13 and outlet nozzles 14. In this case, the cyclone 1 is centrally connected coaxially but with the suction inlet 10 of the vane pump 7, and the inlet tangential nozzle 6 of the cyclone 1 and the discharge nozzle 11 of the pump 7 are of opposite orientation and connected by a connecting pipe 12. In addition, the impeller 8 is installed in the vane pump 7 on the drive shaft 15, and the connecting pipe 12 in front of the inlet tangential nozzle 6 of the cyclone 1 is equipped with a flow straightener 16, for example, in the form of plates connected in a star-like manner along the pipeline axis, the inlet nozzle 13 is tangentially connected to the suction nozzle 10 in the vane pump 7 passing the rotation of the impeller 8, the discharging pipe 14 is connected to the second end wall of the hollow 4 of the cyclone 1 coaxially to the central outlet 3 of the first end wall 2.

Вихревой кавитатор работает следующим образом. Перед пуском через подводящий патрубок 13 внутренние объемы лопастного насоса 7 и циклона 1 под давлением заполняется водой. Воздух при этом вытесняется через отводящий патрубок 14. При пуске от приводного вала 15 начинает вращаться рабочее колесо 8 лопастного насоса 7. Оно лопастями приводит в движение и разгоняет воду в окружном и радиальных направлениях, создавая во всасывающем патрубке 10 разрежение, а в нагнетательном патрубке 11 давление воды. За счет разности этих давлений приводится в движение вода и в циклоне 1, она поступает из лопастного насоса 7 по соединительному трубопроводу 12 в тангенциальный патрубок 6 циклона 1. Далее жидкость движется вдоль внутренней поверхности обечайки 5 в циклоне 1 незначительно теряя скорость, и поэтому расширяясь в поперечном сечении. Следовательно, появляется центростремительная составляющая, увеличивающаяся по пути следования основного потока вдоль обечайки 5. При достижении рассматриваемой частью потока места слияния его с входной частью из выходного тангенциального патрубка 6, эти части конкурируют между собой поочередно обжимая друг друга и создавая тем самым упругие (акустические) волны.Vortex cavitator works as follows. Before starting through the inlet 13, the internal volumes of the vane pump 7 and the cyclone 1 are filled with water under pressure. At the same time, the air is displaced through the outlet nozzle 14. When starting from the drive shaft 15, the impeller 8 of the vane pump 7 starts to rotate. It drives the blades and accelerates the water in the circumferential and radial directions, creating a vacuum in the suction nozzle 10 and in the discharge nozzle 11 water pressure. Due to the difference of these pressures, water and in the cyclone 1 is driven, it comes from the impeller pump 7 through the connecting pipe 12 to the tangential nozzle 6 of the cyclone 1. Then the fluid moves along the inner surface of the shell 5 in the cyclone 1 slightly losing speed, and therefore expanding in cross section. Consequently, a centripetal component appears, increasing along the path of the main flow along the shell 5. When the flow part reaches its confluence with the input part from the output tangential pipe 6, these parts compete alternately compressing each other and thereby creating elastic (acoustic) the waves.

Амплитуда колебаний растет с увеличением входного давления на тангенциальном патрубке, кроме того разность давлений на входе и выходе циклона 1 обуславливает величину скорости жидкости в циклоне 1, следовательно, ее рост увеличивает частоту создаваемых звуковых волн.The amplitude of oscillations increases with increasing inlet pressure at the tangential nozzle, in addition, the pressure difference between the inlet and outlet of the cyclone 1 determines the velocity of the fluid in the cyclone 1, therefore, its growth increases the frequency of the generated sound waves.

Выполнив положительную функцию после взаимодействия с входным потоком рабочая жидкость (вода) через центральное выходное отверстие 3 вращающимся осевым потоком покидает циклон 1 и попадает во всасывающий патрубок 10 лопастного насоса 7. В лопастном насосе поток с предварительной закруткой (полученной в циклоне 1) попадает на вращающиеся в том же направлении лопасти 9 рабочего колеса 8, получает от них дополнительную кинетическую энергию, преобразуемую на выходе с лопастей 9 в гидравлическое давление, и снова участвует в последующих циклах.Performing a positive function after interacting with the input stream, the working fluid (water) through the central outlet 3 by rotating axial flow leaves the cyclone 1 and enters the suction inlet 10 of the vane pump 7. In the vane pump, the pre-spinning flow (obtained in the cyclone 1) enters the rotating in the same direction of the blade 9 of the impeller 8, receives from them additional kinetic energy that is converted at the output from the blades 9 into hydraulic pressure, and again participates in subsequent cycles.

Причем, по мере прохождения соединительного трубопровода 12 жидкость после поворота создает два сопряженных осевых вихря (Фиг. 10), на поддержание которых затрачивается дополнительная мощность, а также они неблагоприятно воздействуют на создание акустических сигналов. Для устранения этих вихревых течений в конце соединительного трубопровода 12 установлен спрямитель потока 16. Он разделяет вращающийся поток на отдельные сектора, устраняет радиальные течения в узких секторных каналах и в итоге на выходе из спрямителя потока 16 получается течение близкое к потенциальному. При взаимодействии этого потока, прошедшего тангенциальный патрубок 6 циклона 1 с его же более ранней частью, совершившей почти полный оборот по внутренней обечайке 5 циклона, получается более стабильный и выразительный (с меньшей долей шумов) акустический сигнал, что повышает эффективность вихревого кавитатора.Moreover, as the connecting pipe 12 passes, the fluid after rotation creates two conjugate axial vortices (Fig. 10), the maintenance of which consumes additional power, and they also adversely affect the creation of acoustic signals. To eliminate these eddy currents, a flow straightener 16 is installed at the end of the connecting conduit 12. It divides the rotating flow into separate sectors, eliminates radial flows in narrow sector channels, and as a result, the output close to the potential flow straightener 16 is obtained. The interaction of this flow, which passed the tangential nozzle 6 of the cyclone 1 with its earlier part, which made an almost complete revolution along the inner side of the 5th cyclone, results in a more stable and expressive (with less noise) acoustic signal, which increases the efficiency of the vortex cavitator.

Следует так же отметить то, что возможные остаточные объемы воздуха при этом участвуя в вихревом движении за счет малой плотности отжимаются более плотной водой в приосевое пространство, откуда через отводящий патрубок 14 в первую очередь удаляются из вихревого кавитатора. Режим работы кавитатора определяется величиной расхода транзитного потока q_тр, при его меньшем значении жидкость нагревается до высоких температур, при большем значении q_тр жидкость нагревается незначительно (при работе кавитатора в качестве теплогенератора).It should also be noted that possible residual volumes of air while participating in the vortex motion due to low density are squeezed out by more dense water into the axial space, from where they are first removed from the vortex cavitator through the outlet nozzle 14. Cavitator operating mode is determined transit flow rate value q _tr by its smaller value of the fluid heated to high temperature at a higher value q _mp liquid is heated slightly (in operation as a heat source cavitator).

Показателями качества рассматриваемого рабочего процесса являются:The quality indicators of the considered workflow are:

- величина потребляемой мощности;- the amount of power consumed;

- величина разности давлений на входе и выходе насоса, являющаяся оценкой удельной энергии, сообщенной насосом жидкости;- the value of the pressure difference at the inlet and outlet of the pump, which is an estimate of the specific energy reported by the pump fluid;

- значение температуры нагрева жидкости (разности на выходе и входе в кавитатор) на каждом из рассматриваемых режимов q_тр, являющаяся оценкой проявления кавитационных качеств кавитатора.- the value of the heating temperature of the liquid (the difference at the exit and entrance to the cavitator) on each of the considered modes q _Tr , which is an estimate of the manifestation of cavitational qualities of the cavitator.

По всем вышерассмотренным показателям предлагаемое техническое решение имеет преимущества, как перед конструкциями с неподвижным корпусом (см. аналог Патент РФ №2045715, кл. F25B 29/00, 1995), так и не уступает прототипу.For all the above indicators, the proposed technical solution has advantages, both over structures with a fixed body (see analogue of RF Patent No. 2045715, Cl. F25B 29/00, 1995), and is not inferior to the prototype.

Во-первых, эта конструкция по потребляемой мощности сопоставима с прототипом, поскольку затраты на вращение жидкости в корпусе прототипа минимизированы (за счет вращения корпуса), а в рассматриваемом случае их нет вообще за счет исключения корпуса.Firstly, this design is comparable to the prototype in terms of power consumption, since the cost of rotating the fluid in the prototype case is minimized (due to the case rotation), and in the case under consideration there are none at all due to the case elimination.

Во-вторых, при входе через центральное отверстие 3 первой торцовой стенки 2 во всасывающий патрубок 10 лопастного насоса 7 жидкость имеет значительную вихревую составляющую и лишь немного отстает от вращающихся лопастей 9 рабочего колеса 8. Следовательно, гидродинамическая сила взаимодействия между ними, пропорциональная квадрату разности окружных скоростей, незначительна, поэтому и момент на приводном валу 15 небольшой. В итоге произведение силы на плечо точки ее приложения и на заданную постоянную частоту вращения обуславливает минимальную потребляемую мощность, то есть дает ее экономию (Фиг. 5, Фиг. 6).Secondly, when entering through the central opening 3 of the first end wall 2 into the suction nozzle 10 of the blade pump 7, the liquid has a significant vortex component and only slightly lags behind the rotating blades 9 of the impeller 8. Therefore, the hydrodynamic interaction force between them is proportional to the square of the difference between speeds, insignificant, so the moment on the drive shaft 15 is small. As a result, the product of the force on the shoulder of the point of its application and on the given constant frequency of rotation causes the minimum power consumption, that is, it saves it (Fig. 5, Fig. 6).

Показатель величины разности давлений на выходе и входе насоса в рассматриваемом случае не должен быть ниже паспортного значения на соответствующем режиме Q_цир, поскольку рабочее колесо 8 лопастного насоса 9 вращается с той же частотой и окружная составляющая скорости жидкости на выходе с лопастей будет не меньше, чем при режиме работы лопастного насоса без предварительной закрутки (как в случае варианта с неподвижным корпусом), а так же и не меньше, чем при вращающемся корпусе (эти сравниваемые варианты аналогичны).In this case, the indicator of the differential pressure at the outlet and inlet of the pump should not be lower than the passport value in the corresponding _Qir mode, since the impeller 8 of the bladed pump 9 rotates at the same frequency and the peripheral component of the fluid velocity at the outlet from the blades is not less than in the mode of operation of a vane pump without prior twisting (as in the case of the version with a fixed case), as well as no less than with a rotating case (these compared options are similar).

Реально же достигнутое значение разности давлений существенно (на 60%) превышает паспортное значение (Фиг. 7, Фиг. 8), а это обстоятельство дает преимущества для предлагаемого варианта по отношению к конструкциям, содержащим корпус. Одной из основных причин превышения давления по отношению к паспортному значению является обстоятельство уменьшения скольжения в асинхронном двигателе привода (на фигурах не показан), поскольку уменьшение крутящего момента на приводном валу 15 в этом случае способствует повышению частоты вращения этого вала 15, вплоть до частоты вращения магнитного поля в электродвигателе. Повышение при этом частоты вращения рабочего колеса дает приращение давления в нагнетательном патрубке 11, да и напора вцелом.In reality, the achieved value of the pressure difference significantly (by 60%) exceeds the passport value (Fig. 7, Fig. 8), and this circumstance gives advantages for the proposed variant with respect to the structures containing the case. One of the main reasons for the excess pressure in relation to the passport value is the fact that the slip decreases in the asynchronous drive motor (not shown in the figures), since reducing the torque on the drive shaft 15 in this case increases the speed of this shaft 15, up to the frequency of rotation of the magnetic fields in the electric motor. Increasing the frequency of rotation of the impeller gives the pressure increment in the discharge pipe 11, and the pressure as a whole.

Повышенное же давление реализуется в этом случае в усиление кавитационных способностей устройства и повышение его теплотворной способности (Фиг. 9).Increased pressure is realized in this case in strengthening the cavitation abilities of the device and increasing its calorific value (Fig. 9).

В итоге получено устройство не уступающее прототипу по функциональным показателям и имеющее значительные преимущества по стоимости и надежности. Следовательно, поставленная цель при создании технического решения достигнута.As a result, the device is not inferior to the prototype in terms of functional performance and has significant advantages in cost and reliability. Consequently, the goal in creating a technical solution is achieved.

Использование предлагаемого вихревого кавитатора выгодно отличает его от аналогов. Во-первых, его малая стоимость значительно расширяет границы его использования и потребителей, что вызовет за счет его доступности для пользователей ускорение внедрения акустико-кавитационных технологий на широком диапазоне народо-хозяйственных задач. Во-вторых, простота его конструкции и изготовления предполагает возможность самостоятельного производства потенциальными пользователями этого устройства, а значит его совершенствования и развития. В этом случае в процесс развития навигационных технологий вовлекаются в значительной мере дополнительные многочисленные участники проекта, и в конечном итоге количество перерастет в качество, в создание еще более совершенной конструкции. Дополнительным аспектом такой ситуации, то есть вовлечения широких масс в созидательные процессы является повышение технической грамотности населения в стране, перемещение центра интересов больших групп людей от времяпровождения к творчеству, поскольку ставшие доступными акустико-кавитационные технологии имеют широкие перспективы использования, причем в еще более нетрадиционных, новых сферах применения.The use of the proposed vortex cavitator distinguishes it from its counterparts. Firstly, its low cost significantly expands the boundaries of its use and consumers, which, due to its availability to users, will accelerate the introduction of acoustic-cavitation technologies on a wide range of economic tasks. Secondly, the simplicity of its design and manufacturing implies the possibility of independent production by potential users of this device, and therefore its improvement and development. In this case, numerous additional project participants are involved to a large extent in the development of navigation technologies, and ultimately the quantity will grow into quality, into the creation of an even more perfect design. An additional aspect of this situation, that is, involvement of the masses in creative processes is to increase the technical literacy of the population in the country, moving the center of interests of large groups of people from hanging out to creativity, since the acoustic-cavitation technologies that have become available have broad prospects for use, and even more non-traditional, new applications.

В-третьих, использование устройства с повышенной надежностью существенно поднимет требования к другим конструкциям кавитаторов, отчего их производители будут вынуждены выпускать более совершенную продукцию.Thirdly, the use of a device with increased reliability will significantly raise the requirements for other structures of cavitators, which is why their manufacturers will be forced to manufacture more advanced products.

Все выше рассмотренные обстоятельства в совокупности могут определить лидирующие позиции страны в развитии кавитационных технологий и технических средств для их осуществления.All the above considered circumstances in aggregate can determine the leading position of a country in the development of cavitation technologies and technical means for their implementation.

Claims

1. Vortex cavitator containing a fluid accelerator, made in the form of a cyclone, the first end wall of which has a central outlet, the second end wall is blank, and the shell is equipped with a tangential inlet, a vane pump with impeller, suction and discharge nozzles, connecting pipe, as well as the inlet and outlet nozzles, characterized in that the cyclone is centrally connected with the central outlet orifice directly to the suction nozzle of the vane pump, and the inlet tangential cyclone pipe and discharge pipe of the pump are oriented counter and associated connecting piping.

2. Vortex cavitator according to claim 1, characterized in that the connecting pipe in front of the tangential inlet pipe of the cyclone is equipped with a flow straightener, for example, in the form of star-shaped plates connected along the pipeline axis;

3. Vortex cavitator under item 1, characterized in that the inlet pipe tangentially connected to the suction nozzle of the vane pump along the way the rotation of the impeller;

4. Vortex cavitator under item 1, characterized in that the discharge pipe is connected to the second blind end wall of the cyclone coaxially with the central outlet of the first end wall.